Обзор биосенсорики

Биосенсоры произвели революцию в области медицины и биотехнологии благодаря обнаружению и характеристике целевых молекул в сложных биологических жидкостях. Биосенсор — это устройство, которое использует молекулу биологического рецептора, такую как фермент, для обнаружения определенного соединения. Биосенсоры используют различные методы, такие как электрохимия, механические свойства или оптика, для обнаружения связывания конкретной молекулы с рецептором. В этом видео мы познакомимся с биосенсорами и областью биосенсорики, обсудив некоторые основные методы и типы биосенсоров, а также их применение.

Для начала давайте обсудим основы работы типичного биосенсора. Биосенсор состоит из биологической системы распознавания, часто называемой биорецептором или молекулой зонда. Обычно это иммобилизованная биомолекула, такая как фермент, антитело или нуклеиновая кислота, которая используется для избирательного захвата молекулы-мишени. Связывание между зондом и молекулами-мишенью вызывает измеряемое событие, такое как изменение pH, оптическое изменение или окислительно-восстановительное событие. Это изменение измеряется преобразователем, который преобразует информацию о связывании в количественный сигнал. Некоторые биосенсоры количественно определяют количество связанной мишени, предоставляя пользователю концентрацию. Тем не менее, некоторые из них используются для простого подтверждения наличия молекулы, как в тесте на беременность. Первым биосенсором стал датчик кислорода, разработанный Лиландом Кларком. В датчике использовалась глюкозооксидаза, которая восстанавливается при связывании глюкозы. В присутствии кислорода глюкозооксидаза затем окисляется, образуя перекись водорода в побочной реакции. Когда перекись водорода окисляется, электрон теряется и измеряется электродом. Чем больше кислорода присутствует, тем больше перекиси водорода производится и тем больше электронов измеряется. Это открытие проложило путь для современных биосенсоров. Теперь, когда мы представили биосенсоры и немного их истории, давайте рассмотрим некоторые распространенные типы биосенсоров.

Оптические датчики используют свет для обнаружения связывания молекулы-мишени с молекулой зонда. Очень простой пример — датчик на основе флуоресценции. Здесь поверхность датчика покрыта полимером, который имеет низкую базальную флуоресценцию. Когда поверхность полимера функционализируется молекулой зонда, в данном случае одноцепочечной ДНК, флуоресценция увеличивается. Когда молекула-мишень, комплементарная цепь ДНК, связывается с целевой цепью, повышенная флуоресценция исчезает, что позволяет пользователю определить количество и место связывания на основе интенсивности флуоресценции. Другим распространенным типом биосенсоров является электрохимический сенсор, который использует электроды для обнаружения окислительно-восстановительных реакций между зондом и молекулами-мишенью. Обычно это делается с помощью фермента, связанного с поверхностью электрода. Когда молекула-мишень связывается с ферментом под действием определенного приложенного потенциала, происходит восстановление или окисление комплекса. Это создает либо избыток, либо дефицит электронов, который прямо пропорционален количеству связанной молекулы-мишени.

Область биосенсорики не лишена своих проблем. Во-первых, одной из ключевых проблем является загрязнение поверхности биосенсора другими молекулами в образце, называемое биообрастанием, которое может происходить в сложных смесях. Это загрязнение может блокировать молекулы зонда от восприятия целевой молекулы в образце, тем самым значительно снижая способность датчика к обнаружению. В результате некоторые биосенсоры имеют ограниченный срок службы и либо регенерируются, либо утилизируются. В качестве альтернативы могут быть разработаны антибиообрастающие покрытия для смягчения этого эффекта. Предел обнаружения датчика относится к наименьшему количеству вещества, которое можно надежно отличить от отсутствия этого вещества. Низкий предел обнаружения позволяет с уверенностью обнаруживать следовые количества вещества, при этом идеальным сценарием является обнаружение одной молекулы. Однако это может быть сложно, так как низкие концентрации часто приводят к слабым сигналам, которые находятся ниже шума и трудно поддаются количественной оценке. Большая часть текущих исследований направлена на улучшение пределов обнаружения за счет повышения эффективности связывания и снижения шума.

Теперь, когда мы обсудили некоторые распространенные типы биосенсоров и их проблемы, давайте рассмотрим некоторые применения этих основных концепций. Обычно используется кварцевый кристаллический микровес, или ККМ. ККМ состоит из двух золотых электродов, разделенных кристаллом кварца, обладающим пьезоэлектрическими свойствами. При подаче переменного тока индуцируются колебания с определенной резонансной частотой. Эта резонансная частота изменяется, когда молекулы связываются с поверхностью. Это изменение используется для определения связывания молекул-мишеней и их количества. Специализированные кантилеверы используют механические свойства для обнаружения связывания молекул-мишеней. Здесь консоли функционализируются молекулами зонда, а затем подвергаются воздействию молекулы-мишени. При связывании молекулы-мишени кантилевер отклоняется из-за изменения поверхностного напряжения. Затем это отклонение измеряется с помощью лазера.

Вы только что посмотрели обзор биосенсорики от JoVE. Теперь вы должны быть знакомы с основами биосенсоров, некоторыми ключевыми типами датчиков и их проблемами, а также с некоторыми приложениями в полевых условиях. Спасибо за просмотр.